Comprendre les formats des SSD pour choisir le bon modèle
SATA, M.2, NVMe, U.2, E1.S, E1.L, E3.S... Les SSD sont livrés dans une variété incroyable de formats. Chacun a une utilisation bien spécifique. Cet article fait le point.
Les SSD sont disponibles dans une grande variété de formats. Cet article a pour but de clarifier certaines confusions que les utilisateurs peuvent rencontrer lorsqu'ils choisissent le type de SSD le mieux adapté à une situation donnée.
Les SSD ne sont pas seulement différenciés par leur capacité en Go (gigaoctets) ou To (téraoctets), par leur vitesse et par leur prix. Ils se caractérisent aussi par un type de connectique et des dimensions physiques. Connectique et dimensions correspondent au format du SSD. On parlera ainsi des formats SATA 2,5 pouces ou encore NVMe 2230.
IDE, SCSI et leurs descendants SATA et SAS : les modèles historiques
Les premiers SSD ont été conçus pour correspondre aux interfaces et aux dimensions des disques durs, soit 2,5 ou 3,5 pouces, en connectique IDE (également nommée ATA) ou SCSI. Simultanément à la généralisation des SSD, l’interface ATA a évolué en une version plus rapide communiquant en série, le Serial-ATA, ou SATA. L'interface ATA d'origine a alors pris le nom de PATA, pour Parallel-ATA. Le SCSI a suivi la même évolution vers le Serial-Attached-SCSI, ou SAS
Physiquement, le connecteur des SSD SATA et SAS est une extrémité de carte électronique avec les broches métalliques imprimées des deux côtés. Tandis que le connecteur des SSD PATA et SCSI est constitué de deux rangées de broches en forme d’épingles.
Bien que de nombreux SSD PATA soient encore disponibles, ils constituent principalement un produit de niche fourni par des acteurs spécialisés dans le but de maintenir en opération des systèmes historiques. Les SSD PATA sont généralement destinés aux applications d'automatisation industrielle et sont fabriqués dans des dimensions mécaniques non standard, plus petites que les disques durs qu'ils remplacent.
Les marchés des SSD PATA et SCSI ont été largement supplantés par les SSD SATA et SAS, tous deux commercialisés dans des boîtiers de 2,5 et 3,5 pouces au format disque dur. Ces deux interfaces ont connu des augmentations successives de vitesse. En SATA 3.0, le débit actuel est de 6 Gbit/s (600 Mo/s). En SAS-4, le débit actuel est de 22,5 Gbit/s (2,4 Go/s).
Les SSD SATA sont largement utilisés dans tous les domaines, des anciens PC et ordinateurs de bureau aux serveurs et baies de stockage. La plupart des SSD SATA sont vendus dans un format de 2,5 pouces, identique à celui d'un disque dur de 2,5 pouces. Bien que les SSD SATA ne constituent pas un marché en pleine croissance, ce format devrait continuer à être proposé pendant plusieurs années encore.
Les SSD SAS, au format 3,5 pouces, ne sont utilisés que dans les baies de stockage. Les constructeurs ont désormais tendance à leur préférer les SSD NVMe.
Les modèles connectés en PCIe : HHHL, AIC, puis NVMe
La connectique des SSD NVMe est le bus PCIe. L’idée de brancher le stockage sur le bus PCIe, dont la vitesse évolue bien plus vite que celle des ports SATA et SAS, date d’avant l’arrivée des SSD. Elle a été popularisée par les contrôleurs RAID, conçus pour communiquer en parallèle avec plusieurs disques durs comme s’il s’agissait d’une seule unité autant de fois plus rapide.
Des startups, en particulier Fusion-io, ont eu l’idée à l’aube des années 2010 de remplacer les multiples disques durs rattachés au contrôleur RAID par autant de puces de mémoire NAND (le composant électronique qui constitue la mémoire dite Flash des SSD). Et de faire tenir l’ensemble sur une carte PCIe HHHL (Half-Height, Half-Length), dont la hauteur et la longueur sont réduites de moitié par rapport à une carte PCIe pleine taille. Elle avait ainsi à peu les dimensions d’un disque dur.
D’autres cartes PCIe similaires ont adopté des tailles plus conventionnelles. Tous ces SSD connectés en PCIe, quelle que soit la taille de la carte, étaient des SSD AIC (pour Add-In Card). En PCIe 2.0, ces SSD supportaient un débit maximal de 2 Go/s. La seconde génération, en PCIe 3.0, pouvait atteindre 3,94 Go/s.
Ces SSD AIC présentaient deux inconvénients. D’abord, le contrôleur RAID utilisé ayant été conçu pour des disques durs additionnels, il n’était pas possible de booter sur ces SSD. Par ailleurs, la gestion de circuits NAND étant foncièrement différente de la gestion de plusieurs disques durs, des développements supplémentaires étaient nécessaires, mais chaque startup partit dans une direction différente. Une situation intenable.
Un consortium industriel s'est alors formé pour élaborer des normes permettant le boot et l'interchangeabilité des SSD PCIe. Le résultat de leur travail est le protocole standardisé NVMe (pour NonVolatile Memory express). Le protocole NVMe, qui communique via l'interface PCIe, a non seulement résolu plusieurs problèmes liés aux mémoires NAND utilisées dans les SSD, mais a également ouvert la voie à l’utilisation d'autres technologies de mémoire pour le stockage, sans nécessiter de modifications des pilotes existants.
Les modèles M.2, en SATA ou en NVMe, pour PC
De leur côté, les fabricants de PC portables qui n’équipaient leurs machines que d’un seul disque dur bootable ont d’abord remplacé celui-ci par un SSD SATA beaucoup plus fin. Puis dans un souci de faire tenir le stockage dans un espace de plus en plus contraint, ils ont développé un modèle de SSD SATA sous la forme d’une petite carte : le format M.2. Celui-ci a permis l'émergence des ordinateurs fins et légers si populaires aujourd'hui.
C’est l’arrivée de la norme NVMe avec sa capacité de boot et sa vitesse de 3,94 Go/s qui a convaincu les fabricants de PC d’adapter les SSD M.2 au bus PCIe. Précisons que des détrompeurs dans les connecteurs empêchent de brancher un SSD PCIe M.2 dans un emplacement SATA M.2, et vice versa. L'utilisation de l'interface SATA au format M.2 s'est estompée et les SSD SATA M.2 sont désormais rares.
Le format M.2 est généralement une carte nue qui combine deux largeurs standardisées en 2,2 et 3 cm. Un SSD appelé « M.2 2280 » mesure 2,2 cm de large et 8 cm de long.
Les modèles remplaçables à chaud
À peu près au moment où le format M.2 était normalisé pour remplacer le boîtier 2,5 pouces cubique par une petite carte nue, le format U.2 est apparu pour, à l’inverse, remplacer dans les serveurs une carte PCIe HHHL nue par un boîtier cubique.
La fourniture du SSD en boîtier U.2 présente l’intérêt de rendre le SSD facilement manipulable pour le remplacer à chaud depuis le panneau avant des serveurs racks. Les utilisateurs en datacenters avaient en effet déjà pour habitude de remplacer ainsi à chaud les disques durs défectueux d’une matrice RAID.
Le format U.2 reprend les caractéristiques des disques SATA 2,5 pouces. Les dimensions sont les mêmes, mais le connecteur est double. On parle de connecteur SATA Express, car, côté serveur, il permet soit de brancher un SSD NVMe, soit deux SSD SATA. L’épaisseur est variable, généralement 7 ou 15 mm, pour s'adapter à la présence ou non de dissipateurs thermiques et la présence ou non de puces NAND des deux côtés de la carte. Cela explique pourquoi des baies de SSD de mêmes dimensions n’ont pas toutes le même nombre d’emplacements en façade. À noter qu’il existe désormais des SSD NVMe U.3 ; ce sont en réalité des SSD U.2 avec un connecteur qui leur permet aussi de se brancher dans des baies uniquement compatibles avec des disques SAS.
Il a été convenu que ce format U.2 en 2,5 pouces restait trop grand pour tenir verticalement sur la façade d’une baie de SSD de taille 1U. C’est pour résoudre ce problème que le format EDSFF (Enterprise and Datacenter Standard Form Factor) a été inventé. La largeur de ces SSD, ou plutôt leur hauteur quand on les positionne verticalement, varie entre 3,15 cm et 3,375 cm.
Les SSD EDSFF sont disponibles en deux longueurs, appelées Long (E1.L, 318,75 mm) et Short (E1.S, 111,49 mm ou 118,75 mm). Par ailleurs, le connecteur a été entièrement revu : plus petit, il ne permet plus que des transferts en NVMe.
De manière assez ironique, le marché a réinventé le format 2,5 pouces pour tenir verticalement dans des baies rack de taille 2U, mais avec le même connecteur uniquement NVMe des SSD E1 : le format E3. Les SSD à ce format sont larges (ou hauts, verticalement) de 7,6 cm. On trouve de la même manière des formats E3.L et E3.S.
Les développements à venir
Le fabricant de SSD Solidigm évalue actuellement la possibilité de refroidir par liquide des unités qui émettent beaucoup de chaleur en raison de la présence de nombreux circuits de mémoire NAND. De leur côté, IBM et la startup ScaleFlux travaillent à améliorer l'intelligence interne des SSD, par exemple pour décharger le serveur de tâches communes comme la compression des données, mais aussi de routines plus sophistiquées comme la surveillance des activités de lecture/écriture pour détecter des cyberattaques.
L'industrie continue d'explorer de nouvelles pistes. Samsung a déployé des efforts considérables pour faire passer des SSD comme une extension mémoire capable de stocker ses informations avec une taille variable plutôt que par blocs de tailles identiques. Leur prototype, initialement baptisé « SSD à sémantique mémoire » ou « MS-SSD », a été rebaptisé « CMM-H TM » pour « CXL memory module, hybrid, tiered memory » (module mémoire CXL, hybride, mémoire à plusieurs niveaux). Il est encore trop tôt pour dire si un tel produit rencontrera le succès sur le marché.
Dans le même genre, on trouve le stockage par clé-valeur, où la clé est un numéro de bloc virtuel et la valeur l’information qui y est stockée avec une taille variable. Aujourd’hui, ce sont des systèmes tels que DAOS qui implémentent ce mécanisme au niveau du serveur. Demain, il est probable que des SSD présenteront eux-mêmes cette numération de blocs virtuels de taille variable.
Cet article est une réécriture d’un article publié à l’origine en anglais sur SearchStorage.
